أشعلني سكوتي: ولكن فقط للجسيمات الكمومية

تمكن العلماء من إجراء النقل الآني الكمي، وهي خطوة أخرى في حلم تحقيق حاسوب كمي وربما أيضًا إطلاق سكوتي...

في عام 1993، نشرت مجموعة من ستة علماء من بينهم تشارلز بينيت وآشر بيريز بحثًا بعنوان "النقل الآني لحالة كمومية غير معروفة باستخدام القنوات المزدوجة الكلاسيكية وAPR". المقال اعتبر ثورة لأنه بدأ البحث النظري في النقل الآني الكمي. هذا مصطلح نشأ من الخيال العلمي ويعني: التسبب في اختفاء شيء ما في مكان وظهور نسخة طبق الأصل منه في مكان آخر.

وفي السنوات التي تلت ذلك، أظهر علماء آخرون النقل الآني التجريبي في مجموعة متنوعة من الأنظمة: الفوتونات المفردة، والأيونات المحاصرة، وما إلى ذلك. من المعتقد أن النقل الآني الكمي له مستقبل مفيد في معالجة المعلومات والاتصالات الكمومية وربما يساعد في تطوير كمبيوتر كمي في المستقبل. لكن عشاق الخيال العلمي يحلمون بتطبيقات أخرى للنقل الآني، ومن المؤكد أنهم سيصابون بخيبة أمل عندما يسمعون أنه لن يكون من الممكن إطلاق الأشخاص والأجسام المجهرية الأخرى في المستقبل القريب. في حين أن النقل الكمي الآني ينقل الحالة الكمية من جسيم إلى آخر، فإنه لا ينقل الكتلة. بالإضافة إلى ذلك، يتم تدمير الحالة الأصلية للجسيم الكمي أثناء النقل الآني. وطبعاً هذا بسبب نظرية عدم التكرار التي لا تسمح بخلق تكرار لنظام كمي معين وأيضاً بسبب مبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ كما سيتم شرحه لاحقاً. وأخيرًا، فإن الإطلاق عبر النقل الآني له سرعة محدودة: فمن الممكن الإطلاق عبر النقل الآني بسرعة لا تتجاوز سرعة الضوء أو سرعة الضوء، ولكن ليس بسرعة أعلى منها - وهذا يتوافق مع النظرية النسبية الخاصة لأينشتاين.

يعتقد بينيت وبيريز والباحثون الآخرون أن الارتباطات بين أزواج الجسيمات الكمومية في تجربة أينشتاين-بودولسكي-روزين (APR)، أي التشابك الكمي، يمكن استخدامها لنقل المعلومات. بعد كل شيء، كان أينشتاين نفسه يخشى أن تتمكن تجربة APR من نقل المعلومات "تخاطريًا" (أي بسرعة أعلى من سرعة الضوء). لكننا نعلم أن النقل الفوري للمعلومات من خلال تجربة APR أمر مستحيل. اعتقد بينيت أنه ربما يمكن استخدام تجربة APR لنقل المعلومات من خلال "النقل الآني".

تصف حالة التشابك بين جسيمين نظامًا كميًا واحدًا في حالة تفقد فيها الجسيمات هويتها الذاتية بمعنى معين. لا تحتوي حالة التشابك على أي معلومات حول الجسيمات الفردية، ولكنها تشير فقط إلى أن الجسيمين سيكونان في حالتين متقابلتين. وهذا يعني أن القياس الذي يتم إجراؤه على جسيم واحد يجعل الجسيم الآخر في الحالة المعاكسة. ليس هناك حد للمسافة التي يمكن فصل الجزيئات عن بعضها البعض. يمكن أن تكون المسافة بينهما شاسعة كما نحب؛ لكن معادلات ميكانيكا الكم تتنبأ أنه عندما يتم إجراء قياس في أحد الجسيمات، فإن ذلك يجعل الجسيم الآخر في الحالة المعاكسة. هذا التأثير الغريب جعل أينشتاين يطلق على تجربة APR اسم "العمل على مسافة من الأشباح".

في البداية كان يُعتقد أن النقل الآني الكمي لا يمكن تحقيقه: إذا أردنا استنساخ أو تكرار كائن بدقة عند إرساله إلى مكان آخر، فسيتعين علينا تكرار الكائن قبل إرساله. وهذا يعني أنه سيتعين علينا قياس الموقع الدقيق وزخم كل ذرة في الجسم؛ وعندها فقط قم بإطلاقه إلى الوجهة المطلوبة ثم إعادة بنائه أخيرًا على أساس التعليمات الواردة عبر قناة كلاسيكية وليست كمومية. لكن الخطوة الأولى المتمثلة في القياس الصارم لموقع وزخم كل ذرة في وقت واحد تنتهك بشكل صارخ مبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ.

يمنعنا مبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ من إجراء قياس دقيق على نظام كمي والحصول على معلومات كاملة عن حالته الكمومية. وفقًا لمبدأ عدم اليقين، كلما قمنا بقياس الجسيم الكمي بدقة أكبر، كلما زاد إزعاجه بعملية القياس. وذلك حتى نصل إلى نقطة معينة حيث قمنا بالفعل بإزعاج الحالة الكمومية الأصلية للنظام بالكامل وما زلنا لم نستخرج معلومات كافية منه لعمل نسخة طبق الأصل منه.

في عام 1993، وجد بينيت وبيريز والعلماء الآخرون طريقة للتغلب على هذا القيد على القدرة على عمل نسخ من الحالة الكمومية للجسيم.

لنفترض أن أليس مُنحت نظامًا كميًا، وهو فوتون، وتم تحضير الفوتون في حالة كمومية غير معروفة لأليس. تهدف أليس إلى نقل معلومات كافية إلى بوب حول النظام الكمي حتى يتمكن من إنشاء نسخة منه. لو كانت أليس على علم بالحالة الكمومية للفوتون، لكان لديها ما يكفي من المعلومات لنقلها إلى بوب. لكن ليس لديها طريقة للتعرف عليه. إذا قامت أليس بقياس الحالة الكمومية لجسيمها الأصلي، فسيؤدي ذلك إلى فقدان بعض المعلومات. في هذه الحالة، لن يتمكن بوب من استعادة حالة الجسيم.

ولذلك، فإن الطريقة الأكثر فعالية التي يمكن لأليس أن تزود بها بوب بالمعلومات حول الجسيم "أ" هي إرسال الجسيم "أ" نفسه إلى بوب. ولكن إذا لم تتمكن من إرسال الجسيم الأصلي، فيمكنها جعل الجسيم يتفاعل مع جسيم آخر "ب" في حالة معروفة ( ملحق). بعد التفاعل، يظل الجسيم B في الحالة المجهولة لـ A، بينما يظل الجسيم الأصلي عند أليس في الحالة المعروفة. بهذه الطريقة يحتوي الجسيم B على معلومات كاملة عن الجسيم A الخاص بأليس. ترسل أليس إلى بوب حالة الجسيم B بدلاً من حالة الجسيم الأصلي A، ويكرر بوب أفعاله لعمل نسخة من حالة الجسيم A غير المعروفة. لكي تصمد نظرية عدم التكرار الكمومية، يتم تدمير الحالة الأصلية غير المعروفة لجسيم أليس A في هذه العملية: وهذا هو إزالة الحالة المجهولة من يدي أليس وظهورها في زمن بوب لاحقًا. هذا هو أساس عملية النقل الآني. هناك نقل للمعلومات الكمومية من نظام إلى آخر ولكن ليس النسخ الكمومي. لا تحدث عملية النقل الآني بشكل فوري، لأنها تتطلب إرسال إشارة كلاسيكية من أليس إلى بوب لاستعادة النسخة من الحالة المجهولة لجسيم أليس أ.

بمزيد من التفصيل، تتكون عملية النقل الآني القياسية من جزء كلاسيكي وجزء غير كلاسيكي؛ أي أن المعلومات حول حالة جسيم أليس الأصلي يتم إرسالها في جزأين في قناة كلاسيكية وقناة كمومية، وبعد أن يتلقى بوب كلا القطعتين من المعلومات، فإنه يستعيد الحالة الكمومية لجسيم أليس الأصلي:

1. القناة غير الكلاسيكية: في البداية، يتم تحضير حالتي الجسيم 2 و 3 في وضع التشابك الكمي، وهو زوج APR (الملحق). تهدف أليس إلى نقل حالة غير معروفة للجسيم إلى بوب، والتي سنسميها الجسيم 1. لذلك، لدينا نظام يتضمن زوج من جسيمات APR 2 و3 والجسيم ذو الحالة غير المعروفة لأليس للجسيم 1، والذي أليس تريد النقل الفوري. في هذه المرحلة، لا يزال زوج APR لا يحتوي على أي معلومات حول الحالة الأصلية للجسيم 1. إذا قمنا بقياس الجسيم 2 أو الجسيم 3، فلن نتلقى أي معلومات حول الجسيم 1. تتلقى أليس جسيمًا واحدًا من APR (الجسيم 2)، بينما يتلقى بوب الجسيم APR الثاني (الجسيم 3). فقط في الخطوة التالية، يمكنك تشابك حالات نظام جسيمات APR بشكل كمي مع الحالة الأصلية لجسيم أليس 1، الذي تريد إطلاقه.
2. من أجل ربط الحالة التي تريد إطلاقها في النقل الآني للجسيم 1 بالحالة المتداخلة، وهي حالة الجسيم 2 التي في حوزة أليس (الأنسيلا)، تجري أليس قياس حالة بيل على هذين الجسيمين. تنتهي عملية القياس هذه بتدمير الحالة الأصلية غير المعروفة للجسيم 1 والحصول على حالة مجمعة واحدة للجسيمات 1 و2 من أصل أربع حالات جرس مشتركة متداخلة محتملة. جميع نتائج القياس الأربعة الممكنة لها نفس الاحتمال.
3. القناة الكلاسيكية: كما تتذكر، فإن جسيم أليس 2 في حالة تشابك كمي مع جسيم بوب 3. عندما تقوم أليس بإجراء قياس على الجسيم 1 والجسيم 2، فإن جسيم بوب 3 يتأثر بقياس أليس. عندما يكون جسيمات أليس 1 و2 في إحدى حالات بيل، فإن الجسيم 3 يستقر على الفور أيضًا في إحدى الحالات الأربع: الحالات الأربع المحتملة التي يمكن أن يكون فيها جسيم بوب 3 هي مزيج من الحالة الإجمالية للجسيمات 1، 2، و3 قبل إجراء القياس بواسطة Ellis ونتائج القياس التي أجراها Ellis على الجسيمين 1 و2. تحتوي كل حالة من هذه الحالات الأربع لجسيم بوب 3 على الحالة الأصلية للجسيم 1 التي ترسلها أليس. في الحالة الأولى، لا يحتاج بوب إلى فعل أي شيء للحصول على نسخة من حالة الجسيم 1 التي أرسلتها إليه أليس. في الثلاثة الأخرى هناك بعض الإجراءات التي يجب على بوب القيام بها لتحويل الجسيم 3 إلى نسخة من الحالة الأصلية للجسيم 1.
4. لإكمال عملية النقل الآني، تحتاج أليس إلى إرسال نتائج قياسها إلى بوب في قناة كلاسيكية حتى يعرف بوب في أي من الحالات الأربع يوجد جسيمه ويمكنه تطبيق الإجراء المناسب للحصول على نسخة من الحالة الأصلية للجزيء. جسيم أليس 1. لا يستطيع بوب تنفيذ الإجراء الصحيح إلا إذا حصل على نتيجة قياس حالة بيل الذي أجرته أليس. هذه المعلومات ضرورية لإكمال عملية النقل الآني ويتم إرسالها عبر قناة اتصال كلاسيكية. وبالتالي فإن السرعة القصوى للانتقال الآني الكمي هي سرعة الضوء. كما أن نقل المعلومات غير الكلاسيكي بين جسيمات APR لا يحدث على الفور، لأنه لا يوجد نقل للإشارات بين جسيمات APR، الجسيم 2 إلى الجسيم 3.

بينما بعد إكمال النقل الآني، يُترك لبوب نسخة طبق الأصل من الحالة الأصلية للجسيم 1، ويتبقى لأليس مع الجسيمين 1 و2 بحالات كمومية غير ملحوظة بالنسبة للحالة الأصلية للجسيم 1. وبالتالي، فإن الجسيم 3 ليس نسخة مكررة من الجسيم 1. الجسيم 1، ولكن يمكن رؤيته الجسيم المنقول XNUMX.
الآن دعونا نفكر في عملية النقل الآني من حيث البتات الكمومية (qubits). تشترك أليس (المرسل) وبوب (المستقبل) في نصفين من حالة تشابك معينة (حالة APR) مكونة من اثنين من الكيوبتات. تريد أليس نقل حالة الكيوبت التي بحوزتها إلى بوب. يقوم بإعداد حالة واحدة من الكيوبت. حالة هذا الكيوبت التي بحوزة أليس ليست مهمة. تقيس أليس (عملية لا رجعة فيها تدمر المعلومات الكمومية وتستبدلها بمعلومات كلاسيكية) الكيوبت الذي بحوزتها وحالة النصف المتشابك (الكيوبت الثاني) وسوف تنقل على قناة كلاسيكية إلى بوب بتتين كلاسيكيتين حول نتيجة هذا قياس. يترك هذا القياس الكيوبت الثالث، الموجود بين يدي بوب، في حالة تتكون من الحالة الأصلية للكيوبت الخاص بأليس وأيضًا بعض الإجراءات. هناك خياران لهذا الإجراء: إما أنه لا يوجد أي إجراء إذا كانت البتتان الكلاسيكيتان لأليس هما 00. أو هناك ثلاثة خيارات للإجراء إذا لم تكن 00. لإكمال حركة النقل الآني، تنقل أليس البتتين الكلاسيكيتين إلى بوب على الكلاسيكية القناة (نقل الحالة من مكان إلى آخر). يستخدمها بوب لإجراء عملية استرداد، وبالتالي يعرف الخيار الذي سيختاره ويستعيد عند خروجه نسخة من الكيوبت التي أرسلتها أليس عند المدخل.

لماذا تعتبر المعلومات الكلاسيكية ضرورية؟ لنفترض أن بوب غير صبور ولا يريد انتظار قياس أليس. قرر تخمين القياس الكلاسيكي لأليس قبل وصولها. يعيد بوب بناء الحالة الأصلية غير المعروفة للجسيم 1 كخلط عشوائي للحالات الأربع التي يوجد بها الجسيم 3. يتم الحصول على حالة معقدة لا تعطي أي معلومات حول الحالة النقية غير المعروفة لجسيم أليس 1. يجب أن يكون الأمر كذلك، لأن الارتباط الكمي أو التشابك الكمي بين الجسيم 2 عند المدخل والجسيم 3 الذي يتم تخمينه عند الخروج يمكن استخدامه لإرسال إشارات أسرع من الضوء. فقط بعد قيام أليس بإجراء القياس، يكتمل النقل الآني ويتم إرسال الرسالة من أليس إلى بوب.

أثناء النقل الآني، تفاعلت جسيمات APR 2 و3 في البداية ثم انفصلتا وتم إنشاء حالة من التشابك الكمي: وصل الجسيم 2 إلى وجهته النهائية عند أليس والجسيم 3 إلى وجهته النهائية عند بوب. وهذا يعني أنه لا يمكن نقل الأشياء إلا بين أليس وبوب أو بين وجهات أخرى حيث توجد الجسيمات وليس إلى وجهات مجهولة لم نقم بزيارتها. معلومات مهمة جدًا للمسافرين في ستار تريك.

بدأ الباحثون بالتفكير في إدراج النقل الكمي الآني؛ حول العمليات بالكيوبتات وقياسات بيل والحالات الكمومية المتشابكة - وكلها في متناول التكنولوجيا المعاصرة - لبناء نموذج نظري عالمي للحاسوب الكمي. تؤدي دورة النقل الآني القياسية إلى كفاءة محدودة لمثل هذا النموذج للكمبيوتر الكمي (25٪). ولذلك، يجب تحسين هذه الكفاءة إلى 100%، مما يعني أن موثوقية الكيوبت المرسل ستكون 1. وبسبب الحاجة إلى تصحيحات الأخطاء الكمومية، فمن الصعب جدًا تطوير مكونات كمومية فعالة بهذه الطريقة. في عام 2008، اقترح الباحثان توهيا هيروشيما وساتوشي إيشيزاكا حركة تسمى "النقل الآني القائم على الميناء" (PBT). الهدف من PBT هو جعل الإجراءات التي يقوم بها بوب بعد المعلومات الكلاسيكية التي يتلقاها من أليس أكثر بساطة.

يتطلب بروتوكول PBT أيضًا تشابكًا كميًا مشتركًا بين أليس وبوب. قام كلا الباحثين بصياغة دورة PBT الحتمية والاحتمالية. سوف نركز على المسار الحتمي. في العملية الحتمية هناك الخطوات التالية:

1. يتشارك كل من أليس وبوب في حالات متشابكة قدرها 2N من الكيوبتات (المنافذ): يمتلك بوب نصف الكيوبتات، مما يعني أن لديه N من الكيوبتات B التي تطابق منافذ الإخراج، كما أن لدى أليس أيضًا نصف الكيوبتات، ولديها N من الكيوبتات A التي تطابق منافذ الإدخال.
2. تريد أليس أن ترسل لبوب حالة غير معروفة من الكيوبت C. تجري أليس قياسًا مشتركًا لـ A وC عندما يكون هناك N نتائج قياس محتملة على الكيوبتات الخاصة بها A وC. لنفترض أن أليس حصلت على نتيجة قياس واحدة من بين كل هذه النتائج المحتملة N، نتيجة القياس i.
3. تخبر أليس بوب بالنتيجة باستخدام قناة كلاسيكية. يحصل بوب على حالة النقل الآني عن طريق اختيار أحد منافذ N في مخرجاته التي تطابق نتيجة قياس أليس وتدمير جميع المنافذ الأخرى (الكيوبتات): أي أن بوب يدمر التشابك بأكمله باستثناء منفذ واحد. يستنتج بوب دائمًا أن المنفذ المحدد لديه حالة النقل الآني، لذلك لا يحتاج إلى إجراء أي عملية (باستخدام قياس أليس) لاستخراج نسخة من الحالة الأصلية للكيوبت C الخاصة بأليس.

وبالتالي فإن هذه الخطوة توفر معالجًا كميًا حتميًا وموثوقًا باحتمال 1. وهذا بشرط أن يكون لدينا منافذ لا نهائية، أي عندما تميل N إلى اللانهاية. إذا كانت N محدودة، فإن حركة النقل الآني هذه تقريبية.

لكن في عام 1997، أثبت باحثان (نيلسن وتشانغ) نظرية محظورة (نوع من النظريات في الفيزياء تنص على أن بعض المواقف في نظرية الكم أو بعض البروتوكولات لا يمكن أن توجد: على سبيل المثال نظريات المتغير الخفي التي تحاول تفسير احتمالية الكم). النظرية): لا يمكن أن يكون هناك معالج كمي عالمي يمكن برمجته وهو حتمي؛ وإذا زودناها بتعليمات حتمية فلا مفر من أن تحتوي النتيجة نفسها على ضجيج. وهذا يعني أن المعالج الكمي القابل للبرمجة لا يمكن أن يوجد إلا إذا كان يعمل بشكل احتمالي.

في ديسمبر 2012، أظهر سيرجي ستريلتشاك من قسم الرياضيات التطبيقية والفيزياء النظرية في جامعة كامبريدج، الذي قاد البحث مع جوناثان أوبنهايم من كامبريدج وكلية لندن الجامعية ومايكل هورودكي من جامعة جدانسك، أن هناك مشاكل في بروتوكول PBT: يتطلب البروتوكول قدرًا هائلاً من تشابك أليس لإطلاق حالة وحيدة في لفيف.
في هذا الصدد، إذا كنت تريد تحقيق النقل الآني لـ PBT بطريقة عملية، فسيكون من الصعب جدًا القيام بذلك. لذلك، يجب تقليل كمية التشابك في أليس ونقلها آنيًا إلى سلسلة من الحالات الكمومية. بهذه الطريقة سنحصل على برنامج أكثر كفاءة وحوسبة كمية غير محلية فعالة.
هناك مشكلة أخرى: إذا كنت تريد إطلاق الحالات الكمومية واحدة تلو الأخرى في هذا الوضع، فسيقوم بوب بمسح معظم التشابك، ومع تضاؤل ​​التشابك أو تشوهه، يتم إدخال أخطاء في التشابك، عندما يزداد الخطأ مع زيادة الحالات يتم إطلاقها - وبالتالي ليس من الممكن إطلاق الحالات الكمومية واحدة تلو الأخرى.

تتمثل فكرة الباحثين من إنجلترا وماجدانسك في تقديم دورة تدريبية لتقليل مقدار التشابك في النقل الآني من نوع PBT وإطلاق كمية كبيرة من الحالات الكمومية واحدة تلو الأخرى أو في وقت واحد. يجمع الباحثون بين نوعين من بروتوكولات النقل الآني: 1) يستخدم أليس وبوب مجموعة محدودة من الحالات. وبالتالي، تقوم أليس بإطلاق النقل الآني للحالة، عندما يتعين على بوب إجراء تصحيح (إجراء) لتلقي الحالة المنطلقة. 2) يستخدم أليس وبوب مجموعة لا حصر لها من الحالات، وتطلق أليس الحالة، عندما لا يحتاج بوب إلى تصحيح من جانبه.

لتقليل كمية التشابك، يقترح الباحثون بروتوكولين يعيدان تدوير التشابك في حالة أليس نصف متشابكة، والتي تتكون من عدد N من المنافذ (الكيوبتات): في البروتوكول الأول، تقوم أليس بنقل البتات الكمومية واحدًا تلو الآخر باستخدام حالة متشابكة يتقاسمها هي وبوب، والتي، كما ذكرنا سابقًا، تتكون من 2N كيوبت. وهكذا تطبق أليس حركة النقل الآني PBT عدة مرات. ولكن بدلًا من التخلص من الحالة المتشابكة في نهاية العملية، يحتفظ بها بوب وأليس، وتقوم أليس بإعادة تدوير الحالة المتشابكة لإعادة استخدامها. في البروتوكول الثاني، تنتقل أليس إلى ولاياتها مرة واحدة - وليس واحدة تلو الأخرى - لذا فهي تربط كل حالة بشكل عشوائي بأحد المنافذ. هنا أيضًا تتضاءل الحالة نصف المتشابكة بما يتناسب بشكل مباشر مع عدد الحالات التي ترسلها أليس، عندما يكون هناك حد لعدد الكيوبتات التي يمكنها إرسالها ويجب عليها إعادة تدوير الحالة المتشابكة.

بالنسبة لملخص المادة العلمية